Sensorik Sensoren überwachen schwingende Maschinen energieautark

Schwingende Maschinen wie Rüttelplatten, Sortieranlagen und Siebmaschinen konnten etwa wegen hohen Beschleunigungen bis dato nicht stetig im laufenden Prozess überwacht werden. Doch das geht jetzt ...

Um die vorausschauende Wartung in Zukunft zu ermöglichen, hat die TH Köln in Kooperation mit zwei Industriepartnern ein energieautarkes Sensorsystem entwickelt und erfolgreich im Labor getestet, mit dem schwingende Maschinen trotzt der hohen Beschleunigungskräfte auch unter rauen Witterungsbedingungen sicher kontinuierlich überwacht werden können.

Die Überwachung vibrierender Maschinen mithilfe von Sensoren, die per Kabel oder Akku mit Strom versorgt werden, ist dabei, wie es weiter heißt, nicht praktikabel, weil zur Wartung der Kabelverbindung oder zum Wechseln des Akkus die Maschine stoppen muss. Die Kölner Experten haben sich, um das Problem zu umgehen, etwas ganz pfiffiges ausgedacht.

Drahtlose Maschinenüberwachung über Schwingungen

Um eine drahtlose Überwachung zu ermöglichen, wurde im zugrunde liegenden Projekt ein Sensorsystem entwickelt, welches durch einen Energiewandler mit integriertem Dämpfungssystem mit Strom versorgt wird. Der Energiewandler macht aus mechanischer Energie – also aus den eh vorhandenen Maschinenschwingungen – elektrische Energie. Er gewährleistet so die Stromversorgung der an ihn angebundenen Sensoren. Diese messen dann permanent die Beschleunigungskräfte der Maschine, registrieren unter anderem starke Vibrationen, die auf eine Fehlfunktion deuten können und senden die Daten an eine Auswerteeinheit. Die ermittelten Daten werden zur Überwachung und Wartungsplanung drahtlos an die Techniker übermittelt, erklären die Forscher.

Neuer Energiewandler muss einiges aushalten

Das Team der TH Köln entwickelte dabei mithilfe von numerischen Verfahren – sogenannten FEM-Simulationen – und Laborversuchen die Konstruktionsvorgaben für den Energiewandler. Danach wurde ein Labormuster des Energiewandlers in der Zentralwerkstatt der TH Köln angefertigt und an einem Schwingungsprüfstand des Labors für Schwingungstechnik und Leichtbau untersucht. Dort hat man Versuchsreihen für den späteren realen Einsatz durchgeführt. Der Energiewandler muss außerdem auch bei geringen Maschinenschwingungen von einem g (1 g = Erdbeschleunigung von bekanntlich 9,81 Meter pro Quadratsekunde) genug Strom bereitstellen, damit die Sensorik und die Datenübermittlung funktionieren. Gleichzeitig muss der Wandler robust genug sein, um auch bei maximal auftretenden Schwingungen von 10 g keinen Schaden zu nehmen. Das habe funktioniert. Jetzt gilt es, den Energiewandler und die Funksensoren sowie deren Zusammenspiel im realen Betrieb zu erproben. In einem Folgeprojekt werden wir einen Energiewandler untersuchen, der in einem breiten Temperaturbereich und bei kleinen Anregungen funktionieren muss“, berichtet Wellendorf. Nach erfolgreichem Abschluss der Tests soll eine Kleinserienfertigung aufgebaut werden, um das Sensorsystem zu vermarkten.

Vorausschauende Wartung nebst Grenzwertermittlung

Das Sensorsystem ist auch in der Lage, den zeitlichen Verlauf der Schwingungen in allen drei Raumrichtungen zu ermitteln. Zur vorrausschauenden Wartung könne aufgrund dieser Daten der Zustand einzelner Maschinenbauteile in Echtzeit überwacht werden. Durch den Abgleich der Schwingungsdaten mit Grenzwerten kann zusätzlich beurteilt werden, wie dringend die Wartung oder der Austausch einzelner Bauteile ist, heißt es.

Mehr zum dahinterstehenden Forschungsprojekt

Das Forschungsprojekt „RE-Con-3D – Entwicklung eines energieautarken, robusten Sensorsystems zur digitalen Erfassung mehrdimensionaler Daten zur Maschinendiagnose und -vorhersage an schwingenden Maschinen“ wurde unter der Leitung von Prof. Dr. Axel Wellendorf am Institut für Allgemeinen Maschinenbau der TH Köln von Oktober 2021 bis Ende April 2023 in Kooperation mit zwei Industriepartnern durchgeführt. Die INS GmbH entwickelte die elektronischen Komponenten des Sensorsystems und unterstützte die Entwicklung von Konstruktionsvorgaben für den Prototyp des Energiewandlers. Die Plastec Kunststofftechnikum Oberberg GmbH konstruierte den Energiewandler und stellte Bauteile für die Laborversuche zur Verfügung. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz förderte das Projekt im Rahmen des „Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand“ (ZIM) mit rund 430.000 Euro.

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